Выявление динамических процессов в жидкостях материалов с использованием жидкого сотовых просвечивающей электронной микроскопии
Summary
Мы разработали автономный жидкость клетки, что позволяет изображений через жидкостей с помощью просвечивающего электронного микроскопа. Динамические процессы наночастиц в жидкостях могут быть выявлены в режиме реального времени с суб-нанометровым разрешением.
Abstract
Последнее развития на местах просвечивающей электронной микроскопии, которая позволяет изображений через жидкости с высоким пространственным разрешением, привлекла значительные интересы на исследования области материаловедения, физики, химии и биологии. Ключевой технологией является жидкостью клетки. Мы изготавливаем жидкость клеток с тонкими окна просмотра через последовательный процесс микротехнологий, в том числе мембраны из нитрида кремния осаждением, фотолитографический рисунка, травление пластин, сотовый связи, и т.д. жидкостная ячейка с размерами регулярной сетки TEM может поместиться в любой стандартный держатель образца ТЕА . Около 100 nanoliters реакционный раствор загружают в резервуары и около 30 пиколитра жидкость втягивается в просмотр окон капиллярных сил. Впоследствии, клетка запечатана и загружается в микроскоп на месте изображения. Внутри ТЕМ, пучок электронов проходит через тонкий слой жидкости между двумя мембранами нитрида кремния. Динамические процессыцессов наночастиц в жидкостях, таких как зарождение и рост нанокристаллов, распространение и сборки наночастиц и т.д., были отражаться в реальном времени с суб-нанометровым разрешением. Мы также применили этот метод в других областях исследований, например, изображения белков в воде. Жидкие камере ПЭК готова играть важную роль в выявлении динамических процессов материалов в рабочей среде. Он также может принести большое влияние в исследовании биологических процессов в их родной среде.
Introduction
Изучение химических реакций в жидкостях в режиме реального времени и визуализации биологических материалов в их родной среде были значительные интересы всей области исследований 1-5. В связи с высоким пространственным разрешением просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), работы с изображениями через жидкость с помощью ПЭМ привлекла большое внимание 4,5. Тем не менее, это был большой вызов для изображения жидких образцов с помощью ПЭМ, так как обычный микроскоп работает в среде с высоким вакуумом. Кроме того, жидкие образцы должны быть достаточно тонким, чтобы пучок электронов, чтобы пройти. Уильямсон и др. 6. Сообщили, что изображение электрохимического осаждения меди может быть достигнуто с 5 нм разрешение с помощью электрохимической ячейки жидкость работает в ПЭМ. Де Йонг и др. 1. Удалось изображения биологических образцов через Serveral микрометра толстые воды с помощью сканирования (S) TEM. Низкая контрастность биологических образцов не былоподнят вопрос, поскольку наночастицы золота были использованы в качестве маркеров для визуализации. Толстого образца жидкость была не проблема, так как STEM режим съемки был использован и нанометровым разрешением была достигнута. Мы недавно разработали автономный жидкость клетки, которая позволяет в режиме реального времени изображение TEM коллоидных наночастиц в жидкостях с субнанометровой разрешение 5,7. Эти вновь разработанных жидкость клеток, которые обеспечивают улучшенное разрешение и быстрее TEM изображения (30 кадра в секунду, что не был достигнут высокий изображений STEM разрешение), позволило изучить динамику коллоидных наночастиц в жидкостях. Жидкость клетки помещаются в стандартный держатель ТЕА и могут работать как обычные образцы ТЕА. Небольшим количеством жидкости (около 30 пиколитра) может быть рассмотрено на месте при расширенном химической реакции. Различные изображения и аналитической (т. е. энергии рентгеновской спектроскопии) методы могут быть применены. Поскольку общая толщина окно просмотра (в том числе мембрани слой жидкости) можно управлять до 100 нм или ниже, прямой визуализации биологических образцов (например, белков) в жидкой воде без золотых наночастиц маркеров был также достигнут 8.
В последние два десятилетия произошли значительные достижения по синтезу и применению коллоидных нанокристаллов 9-11. Тем не менее, понимание того, как наночастицы зарождаются, растут и взаимодействуют друг с другом в жидкости во многом эмпирические и в основном основаны на анализе ex-situ 11-13. Наше развитие жидкость в камере ПЭК предоставляет уникальную платформу для изучения динамических процессов наночастиц в жидкостях на месте 5,7,14,15.
Мы изготавливаем автономные ячейки с помощью жидкого ультратонких кремниевых пластинах (100 мкм) с помощью последовательного процесса микротехнологий. Она включает в себя осаждение мембраны из нитрида кремния, фотолитографический рисунка, травление пластины, прокладка осаждения, и клеточныесвязи и т.д. Около 50 nanoliters реакции раствор загружается в резервуар, который составляется в клетку капиллярных сил. Мы заполняем другой резервуар с еще 50 nanoliters жидкости. Впоследствии, клетка запечатана и загружается в микроскоп на месте изображения. Внутри микроскоп, жидкость зажатой между двумя нитрида кремния мембран (всего около 30 пиколитра) могут быть рассмотрены. Когда луч электронов проходит через тонкий слой жидкости, динамических процессов наночастиц в жидкостях можно отслеживать в режиме реального времени. Зарождение и рост наночастиц могут быть вызваны электронного пучка в некоторых случаях 5,7 или реакции могут быть вызваны внешним источником тепла 14,16. Когда электрон повреждения луч из озабоченность, низкий тока электронного пучка (доза) должна быть использована.
Так как жидкость клетки изготавливают из кремния процессов микротехнологий и в больших партиях, изменения в мембране или жидкихТолщина между отдельными клетками жидкость может быть маленький L6. Любой исследователь, который имеет базовую подготовку микротехнологий можно успешно сделать жидкость клетки. Жидкостной обработки и в эксплуатации месте TEM также может быть освоено после практики. Следует отметить, что помимо использования мембраны из нитрида кремния, как смотровые окна, другие материалы, такие как диоксид кремния, кремний или углерод (в том числе графена) может быть использован в качестве мембраны окна, а 17-19. Так как наша жидкость клеток с использованием небольших окон просмотра, т.е. 1 х 50 мкм, не выпуклые мембраны не наблюдается. И, жидкость клетки также надежные в эксплуатации, т.е. менее 1% жидкого клетки разбитые окна во время экспериментов. Кроме того, толщина слоя жидкости можно также гибко настраивается путем изменения толщины осажденного индия прокладки. Во время подготовки проб, запечатанные ячейки жидкость может поддерживать жидкость в течение нескольких дней без утечки. Небольшое количество жидкости можетбыть рассмотрено в течение нескольких часов под пучком электронов, который позволяет изучать расширенную химической реакции в реальном времени.
До сих пор, у нас есть визуализировать множество уникальных динамических процессов наночастиц в жидкостях, например, роста и коалесценции наночастиц Pt 5,15, диффузии наночастиц в жидкостях тонкие 20,21, рост колебания Bi наночастиц 14, и рост Pt 3 Fe наностержни из наночастиц строительные блоки 7 и т.д. Кроме того, мы также применили этот метод в других областях, например, визуализации белков в жидкой воде с 2,7 нм разрешение 8. Таким образом, наш жидкостной камере ПЭК было доказано, чтобы быть очень ценным развития для изучения широкого спектра фундаментальных вопросов в области материаловедения, физики, химии и биологии. Мы считаем, что есть все еще большая комната для будущих технических достижений и применения жидкого TEM и это, безусловно, будет высокой ИТПМКТ по широкому спектру научных исследований.
Protocol
Representative Results
Discussion
Все процессы изготовления были сделаны в чистом помещении, где полупроводниковые приборы сделаны.
Перед нанесением индия, O 2 плазменной очистки чипов, необходимых для устранения органических остатков на поверхности. Таким образом, высокое качество Spacer индия може…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Чжэн благодарит профессора А. Paul Alivisatos и д-р Ульрих Дамен за полезные обсуждения в ходе раннего развития EM жидкость клетки. Она благодарна поддержке Министерства энергетики Управления науки Программа раннего научной карьеры.
Materials
| Reagents | |||
| Platinum(II) acetylacetonate | Aldrich | 523038 | |
| Iron(II) acetylacetonate | Aldrich | 413402 | |
| pentadecane | Aldrich | P3406 | |
| oleylamine | Aldrich | O7805 | |
| oleic acid | Sigma | O4137 | |
| Equipment | |||
| TEM | JEOL | JEOL 3010 | |
| Monochromated TEM | FEI | F20 UT Tecnai |
References
- de Jonge, N., Ross, F. M. Electron microscopy of specimens in liquid. Nature Nanotechnology. 6, 695-704 (2011).
- Sun, Y. G. Watching nanoparticle kinetics in liquid. Mater. Today. 15, 140-147 (2012).
- Tao, F., Salmeron, M. In Situ Studies of Chemistry and Structure of Materials in Reactive Environments. Science. 331, 171-174 (2011).
- de Jonge, N., Poirier-Demers, N., Demers, H., Peckys, D. B., Drouin, D. Nanometerresolution electron microscopy through micrometers-thick water layers. Ultramicroscopy. 110, 1114-1119 (2010).
- Zheng, H., et al. Observation of Single Colloidal Platinum Nanocrystal Growth Trajectories. Science. 324, 1309-1312 (2009).
- Williamson, M. J., Tromp, R. M., Vereecken, P. M., Hull, R., Ross, F. M. Dynamic microscopy of nanoscale cluster growth at the solid-liquid interface. Nature Materials. 2, 532-536 (2003).
- Liao, H. -. G., Cui, L., Whitelam, S. Real-Time Imaging of Pt3Fe Nanorod Growth in Solution. Science. 336, 1011-1014 (2012).
- Mirsaidov, U. M., Zheng, H., Casana, Y., Matsudaira, P. Imaging Protein Structure in Water at 2.7 nm Resolution by Transmission Electron Microscopy. Biophysical Journal. 102, L15-L17 (2012).
- Yin, Y. D., et al. Formation of hollow nanocrystals through the nanoscale Kirkendall Effect. Science. 304, 711-714 (2004).
- Kan, S., Mokari, T., Rothenberg, E., Banin, U. Synthesis and size-dependent properties of zinc-blende semiconductor quantum rods. Nature Materials. 2, 155-158 (1038).
- Peng, X. G., et al. Shape control of CdSe nanocrystals. Nature. 404, 59-61 (2000).
- Skrabalak, S. E., et al. Gold Nanocages: Synthesis, Properties, and Applications. Accounts of Chemical Research. 41, 1587-1595 (2008).
- Zhang, Q. B., Xie, J. P., Yang, J. H., Lee, J. Y. Monodisperse Icosahedral Ag, Au, and Pd Nanoparticles: Size Control Strategy and Superlattice Formation. Acs Nano. 3, 139-148 (2009).
- Xin, H. L., Zheng, H. In Situ Observation of Oscillatory Growth of Bismuth Nanoparticles. Nano Letters. 12, 1470-1474 (2012).
- Murray, C. B. Watching Nanocrystals Grow. Science. 324, 1276-1277 (2009).
- Xin, H. L., et al. Revealing Correlation of Valence State with Nanoporous Structure in Cobalt Catalyst Nanoparticles by In Situ Environmental TEM. ACS Nano. 6, 4241-4247 (2012).
- Daulton, T. L., Little, B. J., Lowe, K., Jones-Meehan, J. In situ environmental celltransmission electron microscopy study of microbial reduction of chromium(VI) using electron energy loss spectroscopy. Microscopy and Microanalysis. 7, 470-485 (2001).
- Mohanty, N., Fahrenholtz, M., Nagaraja, A., Boyle, D., Berry, V. Impermeable Graphenic Encasement of Bacteria. Nano Letters. 11, 1270-1275 (2011).
- Yuk, J. M., et al. High-Resolution EM of Colloidal Nanocrystal Growth Using Graphene Liquid Cells. Science. 336, 61-64 (2012).
- Zheng, H., Claridge, S. A., Minor, A. M., Alivisatos, A. P., Dahmen, U. Nanocrystal Diffusion in a Liquid Thin Film Observed by in Situ Transmission Electron Microscopy. Nano Letters. 9, 2460-2465 (2009).
- Park, J., et al. Direct Observation of Nanoparticle Superlattice Formation by Using Liquid Cell Transmission Electron Microscopy. Acs Nano. 6, 2078-2085 (2012).
